1、高等职业学校毕 业 设 计姓 名： 学 号： 系 部：电气工程系 专 业：机电一体化 设计题目：基于 PLC 的电梯控制系统设计指导教师： 职 称：助理讲师 2012 年 5 月 高等职业学校毕业设计任 务 书系部 系 专业年级 学生姓名 任 务 下 达 日 期 ： 2011 年 11 月 18 日毕业设计日期：2011 年 12 月 5 日至 2012 年 5 月 13 日毕业设计题目：PLC 控制系统的设计毕业设计专题题目：基于 PLC 的电梯控制系统设计毕业设计主要内容和要求：目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电
2、梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而 PLC 可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。系主任签字： 指导教师签字：高等职业学校毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；
3、存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日高等职业学校毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日高等职业学校毕业设计答 辩 及 综 合 成 绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题正 确 基 本正 确 有 一 般 性错 误 有 原 则性 错 误 没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字： 年 月 日系部领导小组综合评定成绩系部领导小组负责人： 年 月 日高
4、等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 1 页摘 要在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。本设计将可编程序控制器(PLC)应用于四层电梯模型进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯控制系统具有指层、厅召唤、选层选向、手动和自动等功能，具有集选控制的特点。本文在介绍电梯基本结构的基础上，分析了电梯的工作原理，阐述了 PLC 的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于 PLC 电梯控制系统设计的
5、实现方案。关键词：电梯；PLC ；逻辑控制高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 2 页目 录1 引言 31.1 课题背景和电梯发展现状 .31.2 本课题研究内容 .32 电梯概述 42.1 电梯的起源与发展 .42.2 国外电梯的情况 .42.3 国内电梯的情况 .52.4 电梯技术发展趋势 52.5 电梯的类型 .62.6 电梯的主要参数 .62.7 电梯模型 .73 PLC 概述 83.1 PLC 的定义 .83.2 PLC 的发展阶段 .93.3 PLC 发展趋势 .93.4 PLC 的基本结构 .103.5 PLC 的工作原理 .113.6 PLC 控制系统的设计分析
6、.124 电梯模型 PLC 控制系统设计 134.1 电梯的控制要求 .134.1.1 简单控制 .134.1.2 复杂控制 .134.2 电梯模型 PLC 控制系统设计 .134.3 PLC 型号选择 .144.4 I/O 分配 .155 主要程序设计 175.1 电梯控制系统软件设计 .175.2 层呼叫层指示灯控制 175.3 电梯到层指示 .195.4 电梯开关门控制 215.5 箱内指令指示控制 225.6 电梯方向选择 .23结 论 25参考文献 26致 谢 27高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 3 页1 引言1.1 课题背景和电梯发展现状随着城市建设的不断发展，
7、高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内
8、厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。1.2 本课题研究内容 本设计将在以下几个方面对械手的控制控制系统进行研究和论证。（1）电梯方向选择。在课题中主要研究四层电梯上下行控制，开、关门控制、内外呼叫控制。（2）电梯硬件系统的设计。运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对电梯的控制。设计过程中主要考虑电梯的经济实用、稳定的需要。（3）电梯控制系统的软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能
9、直观明了的设计出机械手控制要求，梯形图的编写运用SWOPC-FX/WIN-C编程软件，此软件支持全部三菱系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了时间。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 4 页2 电梯概述2.1 电梯的起源与发展电梯在汉语词典中的解释为：建筑物中用电作动力的升降机,代替步行上下的楼梯。说到电梯的起源要从公元前2600年埃及人在建造金字塔时使用了最原始的提升系统说起，但这一类起重机的能源均为人力。到了1203年，法国的二修道院安装了一台起重机，所不同者只是该机器是利用驴作为动力，载荷由绕在一个大滚筒上的绳子进行起吊。此种方法一
10、直沿用到近代直到瓦特发明了蒸汽机，约在1800年，煤矿主才能利用起重机把矿井中的煤输送上来。数百年来人们制造过各种类型的升降梯，它们都具有一个共同的缺陷：只要起吊绳突然断裂，升降梯便急速地坠落到底层。1854年奥的斯设计了一种制动器：在升降梯的平台顶部安装一个货车用的弹簧及一个制动杆与升降梯井道两侧的导轨相连结，起吊绳与货车弹簧连结，这样仅是起重平台的重量就足以拉开弹簧，避免与制动杆接触。如果绳子断裂，货车弹簧会将拉力减弱，两端立该与制动杆咬合，即可将平台牢固地原地固定免继续下坠。 “安全的升降梯 ”发明成功了！一时间，奥的斯成了众人注目的中心。第一台升降机并非奥的斯所发明，但他却是第一台“安
11、全”升降梯的发明者。 “安全” 这一概念不仅开创了升降梯工业，而且也为那些想建造更高层建筑物以增加更多可利用空间的设计们打开了通途。然而真正能够称为电梯（用电能驱动升降梯）的产品应该是在20世纪初才出现的。2.2 国外电梯的情况国外电梯行业发展迅猛，不仅在节能上做了很大的功夫，现在在智能化，远程化，集成化，可视化也已有了先进的技术！例如：（1）集垂直运输与水平运输的复合运输系统。该系统采用直线电机驱动，在一个井道内设置多台轿厢。轿厢在计算机导航系统控制下，可以在轨道网络内交换各自运行路线。该系统节省了井道占用的空间，解决了超高层建筑电梯钢丝绳和电缆重量太大的问题，尤其适合于具有同一底楼的多塔形
12、高层建筑群中前往空中大厅的穿梭直驶电梯。（2）交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯无机房电梯由于曳引机和控制柜置于井道中，省去了独立机房，节约了建筑成本，增加了大楼的有效面积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。而交流永磁同步无齿轮曳引机的特点是：（A）结构简单紧凑，体积小，重量轻，形状可灵活多样；（B）配以变频控制可以实现更大限度的节能；（C）没有齿轮，于是没有齿轮振动和噪声，齿轮效率，齿轮磨损及油润滑问题，减少了维护工作，降低了油污染；（D）由于失电时旋转的电机处于发电制动状态，增加了曳引系统的安全可靠性。（3）彩色大屏幕液晶楼层显示器。这类显示器可以以高分辨率的彩色平面或三维图像显示电梯
13、的楼层信息（如位置、运行方向） ，还可以显示实时的载荷、故障状态等。通过控制中心的设置还可以显示日期、时间、问候语、楼层指南、广告等，甚至还可以与远程计算机和寻呼系统联接发布天气预报、新闻等。有的显示器又增加了触摸查询功能。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 5 页该装置缓解了陌生乘客在轿厢内面对面对视时的尴尬、无趣的局面，降低了乘客乘梯时心理等待焦虑感。（4）电梯远程监控系统。该系统是将控制柜中的信号处理计算机获得的电梯运行和故障信息通过公共电话网络或专用网络（都需要使用调制解调器）传输到远程的能够提供可视界面的专业电梯服务中心的计算机，以便那里的服务人员掌握电梯运行情况，特
14、别是故障情况。该系统一般具有显示故障、分析故障、故障统计与预测等功能，还有的可实现远程调试与操作，便于维修人员迅速进行维修应答和采取维修措施。这样缩短了故障处理时间，简化了人工故障检查的劳动，保证了大楼电梯安全高效地运行。2.3 国内电梯的情况中国电梯行业从市场规模上已经有了很大提高，一些自主品牌也逐步提升了自己的产品质量和技术含量，我国政府提出的节约型社会正好让电梯行业中拥有节能电梯技术的企业有机会发展，另外，国外用户比以前更多地青睐中国产品也为中国电梯的崛起提供了机会。目前我国节能电梯技术在某些方面已经达到了国际领先水平，但是节能电梯的普及率还很低，可节电30%以上的无齿轮电梯普及率不及1
15、0%，可以能源再生的造能电梯普及率不及2%。因此专家预计，节能电梯市场会在“十一五” 期间进入快速增长期。节能电梯从2001年开始进入我国办公楼、住宅楼、酒店等场所，经过5年的发展，全国的无齿轮电梯市场从几千台增长到近6万台。目前我国已超过日本成为世界最大的新装电梯市场。由于房地产业、城市公共建设等产业发展迅速，预计未来10年，我国的电梯市场仍将保持每年20%的递增速度，年平均销售额至少500亿美元。房地产市场快速发展，对电梯的需求继续扩大。专家估计未来50年我国新增住房面积将达到200亿平方米。目前国家规定20米以上高楼就应安装电梯，因此未来电梯最大的市场就是住宅市场。此外，机场、商场、地铁
16、等大型公共设施建设对自动扶梯、观光电梯等电梯的需求量也十分可观。西部地区的小城镇建设速度加快。东部地区城市化经过20年的发展，有些发达地区城市化水平已达到80%，基本饱和，甚至出现了逆城市化的趋势。而近年来西部地区国民生产总值的增长速度，已经与电梯需求高速发展所需的GDP水平相吻合。电梯更新进入高峰期。虽然国家对电梯寿命目前没有提出强制标准，但是按国外电梯使用寿命的惯例，一般日本系列电梯设计寿命为15年，欧美电梯设计寿命为25年。根据我国电梯选购的实际情况，采用日本系列产品或技术的比例大约有60%以上，国内在1990年前安装的日系电梯已经全部到了更新期。而且1990年以前的电梯生产技术相对比较
17、落后，电梯的耗电水平是现在节能电梯的三到四倍。按电梯使用寿命及15年前电梯安装数量看，预计2007年将有 15000至20000台电梯需要更新。电梯节能潜力巨大，电梯和空调被认为大型建筑两大耗能大户。据了解，目前我国星级酒店每平方米平均年耗电量为150千瓦时，一座3万5万平方米的星级酒店，其年总能耗大约相当于3000至4000吨标准煤，其中将近一半用于电梯供电。电梯行业协会统计，2005年在我国所有使用的电梯中如果有80%采用节能电梯，全年可以节约耗电122亿千瓦时。如果2015年全部采用节能电梯，将节电800亿千瓦时，几乎等于三峡大坝一年的发电量。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文
18、） 第 6 页2.4 电梯技术发展趋势（1）环保：绿色理念是电梯发展总趋势。有专家预言“谁最先推出绿色产品并抢占市场，谁就掌握市场竞争主动权” 。发展趋势主要有：不断改进产品的设计，生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳，钢皮带等无润滑油污染曳引方式。电梯装璜将采用无（少）环境污染材料。电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术。安装电梯将无需安装手脚架。电梯零件在生产和使用过程中对环境没有影响（如刹车皮一定不能使用石棉）并且材料是可以回收的。（2）蓝牙技术在电梯上应用。安装过电梯的人都知道放线、对线是费时、费力、极容易错
19、的工作。如果控制屏与召唤系统通过蓝牙技术连接起来实现无线召唤将会是电梯控制的另一场革命同时为我们带来巨大好处。A安装期将减少30以上，其直接好处是降低安装成本，客户也因从订梯到使用电梯周期费用减少和提高现金周转率。B在电梯上使用蓝牙技术一定会使电梯控制系统大量使用最新最快微机，这将会进一步提高电梯整机可靠性，故障率大大降低，控制精度也进一步提高，带来的结果是电梯更加舒适，平层更加准确。C很好地解决了电梯控制与外围设备的兼容和联系。特别是可以把电梯和扶梯归纳到大楼管理系统或智能化管理小区系统中。2.5 电梯的类型按使用性质分：客梯；货梯；消防电梯按电梯行驶速度分： 高速电梯。速度大于2m/s。
20、中速电梯。速度在2m/s之内。 低速电梯。运送食物电梯常用低速，速度在1.5m/s以内。观光电梯：观光电梯是把竖向交通工具和登高流动观景相结合的电梯。2.6 电梯的主要参数（1）额定载重量（kg）：制造和设计规定的电梯载重量。（2）轿厢尺寸（mm）：宽深高。（3）轿厢形式：有单或双面开门及其它特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电风扇、电话的要求等。（4）轿门形式：有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。（5）开门宽度（mm）：轿厢门和厅门完全开启的净宽度。（6）开门方向：人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两
21、边开启者为中开门，也称为中分门。（7）曳引方式：常用的有半绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。半绕2：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半。全绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。（8）额定速度（m/s）：制造和设计所规定的电梯运行速度。（9）电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。（10）停层站数（站）：凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站。（11）提升高度（mm）：由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离。（12）顶层高度（mm）:由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的
22、垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 7 页（13）底坑深度（mm）：由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。（14）井道深度（mm）：由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂直距离。2.7 电梯模型电梯模型正面面板如图2-1 所示，装置有底座、立柱及面板、主电路板等组成。底座背面设有电源插座及保险管座，保险管规格为250V1A.电源开关设置在底座上面。本装置电源为交流220V50HZ。轿厢在模型的左侧，由小型直流电机来控制它的上升和下降，轿厢门模拟在装置的右上方，可进行关门和开门控制
23、。面板上的输入信号端子有内选按钮信号、外选按钮信号、平层、限位信号、箱门限位信号及公共端I等共计24个，控制时应分别与PLC主机输入端连接，公共端I与主机输入COM点连接。面板上的输出信号端子有外呼指示灯、轿厢上升下降控制、内选指示灯、箱门控制，公共端II等共计18个，控制时应分别与PLC主机输出端连接，公共端II与主机输出COM点连接。使用时首先将模型与PLC主机输入、输出端口的连接好，检查无误后，接通电源，模型处于待机状态，启动PLC运行程序，按动模型选层的内呼按钮，若PLC运行程序编制正确的话，电梯模型将按内、外呼按钮指令正常运行。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 8
24、页图 2-1 电梯模型正面图高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 9 页3 PLC 概述3.1 PLC 的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针
25、对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLC的特点：1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发
26、出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2、配套齐全，功能完善适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工
27、业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5、体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的
28、品种底部尺寸小于高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 10 页100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.2 PLC 的发展阶段虽然 PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1、早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的 PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路
29、上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2、中期的PLC（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。
30、在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。3、近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件
31、功能发生了巨大变化.3.3 PLC 发展趋势1向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。2向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 11 页3PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各
32、种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。4增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。5编程语
33、言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。3.4 PLC 的基本结构PLC 的基本结构如图 3-1 所示。CPU模块I/O模块编程器电源接口图 3-1 PLC 的基本结构PLC的基本结构：1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警
34、戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第
35、12 页2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型：（1）RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。 （2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储
36、器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。PLC存储空间的分配：虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区；（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等） ；（3）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计
37、时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。 （1）I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit） ，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit） 。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。 （2）系统软设备存储区 ：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累
38、加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。1.逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。 另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。2.数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16 bits)。 另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。3.计时器4.计数器用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编
39、制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。3、电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。3.5 PLC 的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 13 页户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行
40、用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器
41、的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。3.6 PLC 控制系统的设计分析任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1.最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制
42、方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2.保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等） ，也能正常工作。3.力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地
43、降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 14 页4 电梯模型 PLC 控制系统设计4.1 电梯的控制要求4.1.1 简单控制（1）当电梯停于某层时，有一高层呼叫时，电梯上升到呼叫层停止。（2）当电梯停于某层时，有一低层呼叫时，电梯下降到呼叫层停止。（3）当电梯停于某层时，有多高层呼叫时，电梯先上升到较低的呼叫层，停3秒后继上升到高的呼叫层，响应完毕后停止。（4）当电梯停于某层时，有多低层呼叫时，电梯先下降到较高的呼叫层，停3秒后继续下降到低的呼叫层，响应
44、完毕后停止。（5）当电梯处于上升或上降过程中，任何反向的呼叫均无效。4.1.2 复杂控制开始时电梯处于任意一层。当有外呼梯信号到来时，电梯去对应的楼层响应该呼梯信号。到达该楼层时，电梯模型介绍梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。当有内呼梯信号到来时，电梯去对应的楼层响应该呼梯信号。到达该楼层时，电梯模型介绍梯停止运行，电梯门打开，延时3S后自动关门。在电梯运行过程中，只响应过楼层同方向的外呼梯信号、不响应过楼层反向外呼梯信号。但如果某反向外呼梯信号前方再无其他内呼梯、外呼梯信号，则电梯响应该外呼梯信号。例如，电梯桥厢在一楼，将要运行到三楼，在此过程中可以响应二层向上外呼提信号，但不响应
45、二层向下外呼梯信号。同时，如果电梯到达三楼，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应三层向下外呼梯信号。否则，电梯将继续运行至四楼。然后向下运行响应三层向下外呼梯信号。电梯应当具有最远反向外呼梯响应功能。例如，电梯桥厢在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯信号到来，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯未平层或运行时，开门按钮，关门按钮均不起作用。平层电梯停止运行后，按开门按钮桥厢门打开，按关门按钮桥厢门关闭。4.2 电梯模型 PLC 控制系统设计由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。
46、即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是在每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼高等职业学校 2012 届高职毕业设计（论文） 第 15 页层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。 根据电梯所处的位置和运
47、行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的阵列。上行次优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以下楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层所具有的脉冲数存放的寄存器所构成的队列。控制系统在电梯运行中实时排列的四个优先级陈列，为实现随机逻辑控制提供了基础。当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号(上行呼叫标志寄存器、下行呼叫标志寄存器、有
48、呼叫请求时，相应寄存器为l，否则为0)，如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车：如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。该动作完毕后，将被保存的数据重新送入比较寄存器，以实现随机逻辑控制。系统還利用行程判断楼层，并转化成BCD码输出，通过硬件接口电路以LED显示！4.3 PLC 型号选择PLC的种类非常繁多，不同种类之间的功能设置差异很大，这既给PLC机型的挑选提供了十分广阔的空间，同时也带来了一定的难度。机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，力争最好的性价比，并有一定的升级空间PLC按结构分为整
49、体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。FX2N系列PLC是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。由基本单元、扩展单元、扩展单元及特殊功能单元构成。基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设有电源。扩展单元用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，由基本单元或扩展单元供电。因扩展单元及扩展模块没有C
